CN105784428A - 一种大气成分采样系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气成分采样系统，属于大气监测技术领域，该采样系统包括通过电缆连接的地面移动供电装置和飞行器、连接在飞行器上的采样装置，地面移动供电装置中设置有用于电缆收放的电缆卷取装置，采样装置包括控制器、借助于云台定位的旋转式气体收集机构以及一组气体采样器，所述的一组气体采样器借助控制器对旋转式气体收集机构的控制形成对大气成分的分时、多参数采样机构，气体采样器包括多个种类，该采样系统在工作时，一次起飞就能够实现多位置、多项目的大气成分采集工作，效率大大提高，不同位置间的采集工作间隔时间较短，可以提供短时间范围内不同位置的大气成分数据，对于研究的参考性较好。
Description
技术领域
本发明属于大气监测技术领域，具体涉及一种大气成分采样系统。
背景技术
大气边界层是直接受地表影响最强烈的垂直气层，近几十年来，由于城市大气污染日益严重，人类活动对大气环境的影响越来越明显，人们愈加关注城市对环境和大气的影响，从而推动了城市大气边界层的研究。通过对大气边界层中的主要污染物的分析，例如总悬浮颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等浓度的分析，可以更精确的掌握大气边界层的污染情况。
目前，对大气边界层进行观测和采样的主要方法是利用气象铁塔或者系留气球。气象铁塔是城市边界层研究很好的平台，但实际操作中，气象塔的数量、范围、成本以及效率上都无法满足采样要求；系留气球是对城市边界层研究的很好工具，但是系留气球在高空的稳定控制、回收以及携带仪器方面也无法满足现代的采样要求。因此，城市边界层污染物的采集需要更便利、更高效的采样系统。近年来，小型多旋翼飞行器得到了广泛的关注和快速的发展，相对于传统飞行器，是一种从机械结构上具有低惯性，稳定性更好的飞行器。
多旋翼飞行器可通过搭载多种传感器来获取多个方面的数据，但是电池的单位质量储能强度非常有限，必须通过增加电池数量来延长续航时间，电池本身的重量又极大程度降低了飞行器的载重能力，飞行器只能搭载小型照相机或传感器短时间飞行，无法满足长时间的飞行要求。申请号为201210597187.9的专利文件公开了一种电缆供电的多旋翼飞行器系统，此专利虽然提出了利用电缆给飞行器供电，实现长时间飞行的想法，但是供电系统采用从地面以能满足无刷电机的低电压输送电能，无法满足大载重大功率飞行器的供电要求；申请号为201320011037.5的专利文件公开了一种机载空气采样装置，该装置主要用来采集大气中的气溶胶和小分子颗粒，无法采集空气中其他成分，每次只能进行一个样品的采集，功能单一、效率较低。因此，设计一种能够长时间、高效率工作的机载空气、水汽等不同样品的采集系统已经成为研究大气边界层的迫切需求。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点和不足，提供了一种大气成分采样系统，该系统以电缆供电的飞行器为平台进行大气边界层的采样作业，能够搭载多种传感器进行不同项目的检测，而且飞行时间长，能够满足空中长时间采样的需求。
本发明的具体技术方案是：
一种大气成分采样系统，该系统包括带有采样装置的飞行器和地面移动供电装置，飞行器、采样装置通过电缆均与地面移动供电装置连接，关键点是，所述的采样装置包括控制器、借助于与飞行器连接的云台定位的旋转式气体收集机构以及一组气体采样器，控制器、旋转式气体收集机构均借助电缆与地面移动供电装置连接，所述的一组气体采样器借助控制器对旋转式气体收集机构的控制形成对大气成分的分时、多参数采样机构。
所述的旋转式气体收集机构包括真空泵、与真空泵输出端连接的转接装置、设置于云台下端面的转盘，转盘上设置有环形阵列排布的一组气体收集口，所述的一组气体采样器与各个气体收集口一一对应连接，转接装置中设置有与气体收集口插接式配合的伸缩式转换接头，真空泵与转接装置均与控制器相连。
所述的旋转式气体收集机构包括真空泵、与真空泵输出端连接的转换装置、与云台固定连接的环形导轨，转换装置尾部固定设置有与环形导轨滑动配合的滑座，所述的一组气体采样器与云台固定连接且与环形导轨对应设置，转换装置中设置有与气体采样器输入端插接式配合的伸缩式转换接头，真空泵与转换装置均与控制器相连。
所述的转接装置包括可供转换接头滑动的半圆筒形滑轨，转换接头尾部外侧连接有吸附铁片，吸附铁片与转换接头尾部之间设置有行程空间，吸附铁片与半圆筒形滑轨尾部之间固定连接有弹簧，半圆筒形滑轨尾部固定有与之平行的支撑板，支撑板另一端固定有吸盘式电磁铁并且位于行程空间中，转换接头沿半圆筒形滑轨伸缩从而与进气口插接或断开。
所述的气体采样器包括三种，分别为气袋型采样器、吸收管型采样器以及固体填充型采样器；气袋型采样器为输入端安装有单向止回阀的铝制气袋；吸收管型采样器包括进气孔和出气孔均位于上部的集液管，集液管中装有收集液，进气孔处安装有下端深入收集液中的进气管；固体填充型采样器为两端分别为输入端和输出端的管状，输入端和输出端之间填充有固体填充剂。
所述的地面移动供电装置中设置有地面电源，地面电源包括输出端与电缆连接的柴油发电机和直流电源。
所述的地面移动供电装置中设置有用于电缆收放的电缆卷取装置，其包括上端安装有电缆调向机构的支撑架及设置于对称支座上的电缆卷取轮，电缆卷取轮设置于调整机构下方，电缆卷取轮的转轴两端分别设置有集电环和平面发条式恒力弹簧。
所述的电缆调向机构包括水平固定于支撑架上的轴承、固定架及滑轮机构，固定架一端设置有竖直的空心转轴与轴承相配合，滑轮机构包括架设在固定架上的张紧滑轮和换向滑轮，张紧滑轮输入端位于空心转轴的空心处上端，电缆依次穿过空心转轴、张紧滑轮、换向滑轮后向上与飞行器电连接。
所述的地面移动供电装置为履带式电动车。
所述的飞行器上端设置有竖直向上的天线式进气管，真空泵输入端通过管路与天线式进气管相连。
本发明的有益效果是：本发明采用旋转式气体收集机构进行大气的采样工作，该旋转式气体收集机构能够搭载多种、多个气体采样器进行不同位置大气的采集，结合依靠地面移动供电装置和与之连接的飞行器的设置，能够满足连续的、长时间的、不同位置的大气采样工作，与现有技术相比，采样种类更多、采样数量更多、采样效率更高。
附图说明
图1是本发明实施例1中采样系统的结构示意图。
图2是图1中采样装置的结构示意图。
图3是图2中转换装置的结构示意图。
图4是图1中采样箱的俯视图。
图5是气袋型采样器的结构示意图。
图6是吸收管型采样器的结构示意图。
图7是固体填充型采样器的结构示意图。
图8是图1中电缆卷取装置和电缆调向机构的结构示意图。
图9是图8中A的放大结构示意图。
附图中，1、采样装置，2、飞行器，3、电缆卷取装置，4、地面电源，5、地面移动供电装置，6、天线式进气管，7、真空泵，8、转换装置，9、转盘，10、采样箱，11、气体收集口，12、采样器，13、转换接头，14、云台，15、半圆筒形滑轨，16、吸附铁片，17、弹簧，18、支撑板，19、吸盘式电磁铁，20、单向止回阀，21、进气孔，22、出气孔，23、集液管，24、收集液，25、进气管，26、固体填充剂，27、支撑架，28、电缆卷取轮，29、集电环，30、平面发条式，31、空心转轴，32、固定架，33、张紧滑轮，34、换向滑轮，35、电缆。
具体实施方式
本发明涉及一种大气成分采样系统，该系统包括带有采样装置1的飞行器2和地面移动供电装置5，飞行器2、采样装置1通过电缆35均与地面移动供电装置5连接，所述的采样装置1包括控制器、借助于与飞行器2连接的云台14定位的旋转式气体收集机构以及一组气体采样器12，控制器、旋转式气体收集机构均借助电缆与地面移动供电装置连接，所述的一组气体采样器12借助控制器对旋转式气体收集机构的控制形成对大气成分的分时、多参数采样机构。
实施例1，地面移动供电装置5为履带式电动车，增强了越障和爬坡的性能，大大增加了该采样系统的运用范围，履带式电动车安装设置有地面电源4，地面电源4包括柴油发电机和直流电源，柴油发电机和直流电源的电力输出端通过电缆传输给控制器和旋转式气体收集机构，飞行器采用旋翼飞行器，采样装置1通过云台14连接于飞行器下端，云台14可以使采集装置保持水平状态，防止机体带来的震动，地面移动供电装置5中设置有用于电缆收放的电缆卷取装置3，电缆卷取装置3包括上端安装有电缆调向机构的支撑架27及设置于对称支座上的电缆卷取轮28，电缆卷取轮28位于电缆调向机构下方，电缆卷取轮28的转轴两端分别设置有集电环29和平面发条式恒力弹簧30，电缆调向机构包括水平固定于支撑架27上的轴承、固定架32及滑轮机构，固定架32一端设置有竖直的空心转轴31与轴承相配合，滑轮机构包括架设在固定架32上的张紧滑轮33和换向滑轮34，张紧滑轮33输入端位于空心转轴31的空心处上端，电缆35依次穿过空心转轴31、张紧滑轮33、换向滑轮34后向上与飞行器2电连接，张紧滑轮33能够将电缆35进行张紧，避免电缆35在收放过程中摆动而产生摩擦，电缆调向机构的设置能够使电缆35的收放更加平顺，效率大大提高，并且电缆35的使用寿命得到延长。
当需要进行大气采样时，驱动地面移动供电装置5移动到指定位置，飞行器2起飞并将电缆拉出，飞行器2上升到指定高度后悬停，采样装置1进行采样作业。采样装置1中的旋转式气体收集机构包括真空泵7、与真空泵7输出端连接的转接装置8、设置于云台14下端面的转盘9，转盘9上设置有环形阵列排布的一组气体收集口11，所述的一组气体采样器12与各个气体收集口11一一对应连接，所有气体采样器12安装在一个圆柱形的采样箱10中，采样箱10固定于转盘下方，采样箱10中设置有环形阵列排布的圆柱形安装孔，气体采样器12安装在安装孔中，转接装置8中设置有与气体收集口11插接式配合的伸缩式转换接头13，真空泵7与转接装置8均与控制器相连，转接装置8包括可供转换接头13滑动的半圆筒形滑轨15，转换接头13尾部外侧连接有吸附铁片16，吸附铁片16与转换接头13尾部之间设置有行程空间，吸附铁片16与半圆筒形滑轨15尾部之间固定连接有弹簧17，半圆筒形滑轨15尾部固定有与之平行的支撑板18，支撑板18另一端固定有吸盘式电磁铁19并且位于行程空间中，转换接头13沿半圆筒形滑轨15伸缩从而与进气口11插接或断开。
采样装置在每一个采样点工作时的具体过程如下所述，当地面移动供电装置5到达指定地点，并且飞行器2到达指定高度后，即采样装置1到达指定位置后，真空泵7打开，飞行器2上端设置有竖直向上的天线式进气管6，真空泵7输入端通过管路与天线式进气管6相连，大气由天线式进气管被吸入真空泵7并输送至转换接头13处，吸盘式电磁铁19通电产生磁场，吸附铁片16带动转换接头13克服弹簧17的拉力沿半圆筒形滑轨15向外滑动，转换接头13与转盘上相对应的气体收集口11插接配合，真空泵7将大气由气体收集口输送至与之相连的气体采样器中，气体收集完毕后，吸盘式电磁铁19断电，弹簧17将吸附铁片连同转换接头13牵引至原位，转换接头13与气体收集口11之间断开，真空泵7关闭，至此，一个采集点的大气采集工作完毕，在地面移动供电装置和飞行器将采样装置1移动至下一个采集点时，转盘9旋转，使得下一个气体收集口11与转接装置8位置相对应，然后重复上述工作过程即可。
地面移动供电装置5和飞行器2之间相互配合能够进行立体空间内的多点大气成分采样，气体采样器12包括三种，分别为气袋型采样器、吸收管型采样器以及固体填充型采样器，采样箱10中的一组气体采样器12共八个，包括三个气袋型采样器、三个吸收管型采样器及两个固体填充型采样器；气袋型采样器为输入端安装有单向止回阀20的铝制气袋，主要适用于采集气体或蒸汽状态的污染物，用于空气污染物较高的情况；吸收管型采样器包括进气孔21和出气孔22均位于上部的集液管23，集液管23中装有收集液24，进气孔21处安装有下端深入收集液24中的进气管25，主要应用于空气中待测物能迅速溶解与吸收液中或能与吸收剂迅速发生化学反应而被采集的情况，收集液24选择为甲醛收集液，气体穿过进气管25然后经过收集液24后从出气孔22逸出，收集液24可以将大气中的二氧化硫进行收集；固体填充型采样器为两端分别为输入端和输出端的管状，输入端和输出端之间填充有固体填充剂26，空气中的有害物质被吸附或阻留在固体填充剂26上，从而达到浓缩的目的，固体填充剂26选用活性炭、硅胶、分子筛等多孔性物质，采样后再通过解吸或洗脱供测定用，主要应用于气体、蒸气和气溶胶的采样。
实施例2，作为实施例1中采样装置的另一种实施方式，所述的旋转式气体收集机构包括真空泵7、与真空泵7输出端连接的转换装置8、与云台14固定连接的环形导轨，转换装置8尾部固定设置有与环形导轨滑动配合的滑座，所述的一组气体采样器12与云台14固定连接且与环形导轨对应设置，转换装置8中设置有与气体采样器12输入端插接式配合的伸缩式转换接头13，真空泵7与转换装置8均与控制器相连。
上述结构的旋转式气体收集机构在使用时，真空泵7和伸缩式转换接头13依靠控制器的预设程序进行开闭工作，每在一个采集点完成采集工作后，滑座沿环形导轨进行滑动，移动至下一个气体采样器12的相对应位置，并且依靠伸缩式转换接头13与相对应的气体采样器12进行连接，外界空气能够被收集入相对应的气体采样器12中。
本发明利用旋转式气体收集机构进行多种类的气体采样器的搭载，采用转换装置中的伸缩式转换接头进行真空泵和不同气体采样器之间的连通，采样装置随飞行器移动到不同位置进行大气采集，位置变化时，对气体采样器和转换接头之间进行位置旋转，从而实现不同位置的大气采集至不同的气体采样器中，此外，对于短时间内不同位置的大气采集，能够避免现有技术中更换气体采集器导致的长周期，在该段时间内，大气成分可能会发生变化，本采样系统能够提供短时间内采集的不同位置的大气成分，对于研究大气成分的动态参数有积极意义。
该采样系统将通过电缆连接的地面移动供电装置和飞行器作为采样装置的搭载体，由于地面电源的充足供应，飞行器的飞行时间可以增加至所需周期，搭载重量也可以根据需求进行设置，采样装置的多种类采样器搭载能够得到满足，结合旋转式气体收集机构的工作，该采样系统的工作效率大大提升，成本也随之缩小，一次起飞就能够实现多地点、多参数的大气成分采集工作。
Claims (10)
1.一种大气成分采样系统，该系统包括带有采样装置(1)的飞行器(2)和地面移动供电装置(5)，飞行器(2)、采样装置(1)通过电缆(35)均与地面移动供电装置(5)连接，其特征在于：所述的采样装置(1)包括控制器、借助于与飞行器(2)连接的云台(14)定位的旋转式气体收集机构以及一组气体采样器(12)，控制器、旋转式气体收集机构均借助电缆(35)与地面移动供电装置(5)连接，所述的一组气体采样器(12)借助控制器对旋转式气体收集机构的控制形成对大气成分的分时、多参数采样机构。
2.根据权利要求1所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的旋转式气体收集机构包括真空泵(7)、与真空泵(7)输出端连接的转接装置(8)、设置于云台(14)下端面的转盘(9)，转盘(9)上设置有环形阵列排布的一组气体收集口(11)，所述的一组气体采样器(12)与各个气体收集口(11)一一对应连接，转接装置(8)中设置有与气体收集口(11)插接式配合的伸缩式转换接头(13)，真空泵(7)与转接装置(8)均与控制器相连。
3.根据权利要求1所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的旋转式气体收集机构包括真空泵(7)、与真空泵(7)输出端连接的转换装置(8)、与云台(14)固定连接的环形导轨，转换装置(8)尾部固定设置有与环形导轨滑动配合的滑座，所述的一组气体采样器(12)与云台(14)固定连接且与环形导轨对应设置，转换装置(8)中设置有与气体采样器(12)输入端插接式配合的伸缩式转换接头(13)，真空泵(7)与转换装置(8)均与控制器相连。
4.根据权利要求2或3所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的转接装置(8)包括可供转换接头(13)滑动的半圆筒形滑轨(15)，转换接头(13)尾部外侧连接有吸附铁片(16)，吸附铁片(16)与转换接头(13)尾部之间设置有行程空间，吸附铁片(16)与半圆筒形滑轨(15)尾部之间固定连接有弹簧(17)，半圆筒形滑轨(15)尾部固定有与之平行的支撑板(18)，支撑板(18)另一端固定有吸盘式电磁铁(19)并且位于行程空间中，转换接头(13)沿半圆筒形滑轨(15)伸缩从而与气体收集口(11)插接或断开。
5.根据权利要求1所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的气体采样器(12)包括三种，分别为气袋型采样器、吸收管型采样器以及固体填充型采样器；气袋型采样器为输入端安装有单向止回阀(20)的铝制气袋；吸收管型采样器包括进气孔(21)和出气孔(22)均位于上部的集液管(23)，集液管(23)中装有收集液(24)，进气孔(21)处安装有下端深入收集液(24)中的进气管(25)；固体填充型采样器为两端分别为输入端和输出端的管状，输入端和输出端之间填充有固体填充剂(26)。
6.根据权利要求1所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的地面移动供电装置(5)中设置有地面电源(4)，地面电源(4)包括输出端与电缆(35)连接的柴油发电机和直流电源。
7.根据权利要求1所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的地面移动供电装置(5)中设置有用于电缆(35)收放的电缆卷取装置(3)，其包括上端安装有电缆调向机构的支撑架(27)及设置于对称支座上的电缆卷取轮(28)，电缆卷取轮(28)位于电缆调向机构下方，电缆卷取轮(28)的转轴两端分别设置有集电环(29)和平面发条式恒力弹簧(30)。
8.根据权利要求7所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的电缆调向机构包括水平固定于支撑架(27)上的轴承、固定架(32)及滑轮机构，固定架(32)一端设置有竖直的空心转轴(31)与轴承相配合，滑轮机构包括架设在固定架(32)上的张紧滑轮(33)和换向滑轮(34)，张紧滑轮(33)输入端位于空心转轴(31)的空心处上端，电缆(35)依次穿过空心转轴(31)、张紧滑轮(33)、换向滑轮(34)后向上与飞行器(2)电连接。
9.根据权利要求1所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的地面移动装置(5)为履带式电动车。
10.根据权利要求1所述的一种大气成分采样系统，其特征在于：所述的飞行器(2)上端设置有竖直向上的天线式进气管(6)，真空泵(7)输入端通过管路与天线式进气管(6)相连。
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